EMC傳導(dǎo)和耦合應(yīng)用(DOC)

1、 電磁兼容傳導(dǎo)耦合理論及其應(yīng)用學(xué)生張*年級(jí)2010級(jí)班級(jí)0210*班學(xué)號(hào)021012*專業(yè)電子信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院西安電子科技大學(xué)2013年5月電磁兼容傳導(dǎo)耦合原理及其應(yīng)用張*摘要：本文就現(xiàn)實(shí)中普遍存在的電子，電氣設(shè)備電磁騷擾現(xiàn)象引發(fā)的電磁干擾出發(fā)，先介紹了電磁兼容這個(gè)學(xué)科的發(fā)展及意義，然后重點(diǎn)介紹了電磁干擾耦合傳輸理論。最后從傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩個(gè)方面并結(jié)合相關(guān)案例分析如何在這兩個(gè)耦合途徑上減少電磁干擾的發(fā)生。關(guān)鍵詞：電磁兼容傳輸耦合傳導(dǎo)耦合輻射耦合引言1第一章電磁兼容發(fā)展及意義1電磁兼容技術(shù)的發(fā)展.1電磁兼容的地位和意義.1第二章電磁干擾耦合傳輸理論1傳導(dǎo)耦合.2輻射耦合.2第三章傳導(dǎo)

2、耦合理論應(yīng)用實(shí)例及分析2電力線載波.3變頻器.3抑制傳導(dǎo)干擾的有效辦法.4第四章輻射耦合理論應(yīng)用實(shí)例及分析5雷電電磁輻射對(duì)微電子設(shè)備的影響.5感性負(fù)載的瞬態(tài)噪聲抑制及其觸點(diǎn)的保護(hù).5抑制輻射干擾的有效辦法.5第五章結(jié)束語6參考文獻(xiàn)7 引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電子，電氣設(shè)備不僅數(shù)量及種類不斷增加，而且向小型化，數(shù)字化，高速化和網(wǎng)絡(luò)化的方向高速發(fā)展，然而電子，電氣設(shè)備在正常工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些有用無用的電磁能量，影響其他設(shè)備，系統(tǒng)或者生物，使得電磁環(huán)境日益復(fù)雜，造成了電磁污染，形成電磁騷擾。電磁騷擾有可能使電氣，電子設(shè)備和系統(tǒng)的工作性偏離預(yù)期，產(chǎn)生誤差。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)摧毀電氣電子設(shè)備，危害人體。

3、正是在這種背景下，電磁兼容性設(shè)計(jì)成為了現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中的重要組成部分。第一章電磁兼容發(fā)展及意義電磁兼容技術(shù)的發(fā)展電磁兼容是指“設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)，它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)。1881年英國科學(xué)家希維賽德發(fā)表了“論干擾”的文章，標(biāo)志著電磁兼容性研究的開端，1889年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題，使電磁兼容性研究開始走向工程化，1944年德國電氣工程師協(xié)會(huì)制訂了世界上第一個(gè)電磁兼容性規(guī)范VDE0878,1945年美國頒布了第一個(gè)電磁兼容性

4、軍用規(guī)范JAN-I-225。世界多數(shù)發(fā)達(dá)國家早已開始以法令、法規(guī)形式進(jìn)行管理控制，在我國電磁兼容理論和技術(shù)的研究起步較晚,從1983年開始陸續(xù)頒布了一系列有關(guān)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。自此以后,電磁兼容技術(shù)迅速發(fā)展成為非?；钴S的學(xué)科領(lǐng)域之一。電磁兼容的地位及意義經(jīng)驗(yàn)證明,如果記在產(chǎn)品開發(fā)階段解決電磁干擾問題的費(fèi)用為1個(gè)單位,那么等到產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后再解決其問題,費(fèi)用將增加10倍；而到產(chǎn)品批量生產(chǎn)后再解決時(shí),費(fèi)用將增加100倍；到用戶發(fā)現(xiàn)問題后才解決時(shí),費(fèi)用可能高達(dá)1000倍。而在產(chǎn)品開發(fā)階段同時(shí)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì),就可望把80%90%的電磁兼容性問題解決在產(chǎn)品定型之前。只按常規(guī)進(jìn)行產(chǎn)品功能設(shè)計(jì),不僅

5、在技術(shù)上帶來一系列的難題,而且還會(huì)造成人力、財(cái)力的極大浪費(fèi)。就產(chǎn)品本身功能和市場(chǎng)占有而言,電磁兼容性設(shè)計(jì)的意義也是不可估量的。其一,電子設(shè)備工作的可靠性依賴于其電磁抗干擾性。電磁兼容性表征電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。其二,電子設(shè)備國內(nèi)外市場(chǎng)的開拓需要其具有良好的電磁兼容性。電磁兼容性達(dá)標(biāo)認(rèn)證已由一個(gè)國家范圍向全球地區(qū)發(fā)展,成為一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)。其三,安全因素,存在電磁輻射的電子產(chǎn)品可能會(huì)引起如設(shè)備誤操作、通訊設(shè)施電磁泄密、電爆裝置誤爆、誤燃等危險(xiǎn)。第二章電磁干擾耦合傳輸理論產(chǎn)生電磁干擾三要素：電磁干擾源,干擾傳播途徑,敏感設(shè)備。由此可知,任何電磁干擾的產(chǎn)生必然存在電磁騷擾（或者騷擾電磁能量

6、）的耦合與傳輸途徑。這里,耦合的概念指的是電路、設(shè)備、系統(tǒng)與其它電路、設(shè)備、系統(tǒng)之間的電磁量聯(lián)系,耦合起著把電磁能量從一個(gè)電路、設(shè)備、系統(tǒng)“傳輸”到另一個(gè)電路、設(shè)備、系統(tǒng)的作用。耦合途徑是從各種電磁騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備的通路或媒介。耦合途徑主要有兩種方式，傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。1.傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備，產(chǎn)生電磁干擾。傳導(dǎo)耦合的連接電路包括互連導(dǎo)線、電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、公共阻抗、電路元器件等。傳導(dǎo)耦合按其耦合方式劃分三種基

7、本方式：電路性耦合是最常見、最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式。當(dāng)電路1有電壓U1作用時(shí)，該電壓經(jīng)Z1加到公共阻抗Z12上。當(dāng)電路2開路時(shí)，電路1耦合到電路2的電Z壓為U=若公共阻抗Z12中不含電抗元件時(shí)為共電阻耦合，簡(jiǎn)稱為2Z+Z112112電阻性耦合。電容性耦合也稱為電耦合，它是由兩電路間的電場(chǎng)相互作用所引起。電感性耦合也稱為磁耦合，它是由兩電路間的磁場(chǎng)相互作用所引起。當(dāng)電流I在閉合電路中流動(dòng)時(shí)，該電流就會(huì)產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量。該磁通量與電流I的比值稱為電感。電感的取決于電路的幾何形狀和包含場(chǎng)的媒質(zhì)的磁特性。2.輻射耦合輻射耦合是電磁騷擾通過其周圍的媒介以電磁波的形式向外傳播，騷擾電磁能量按電磁場(chǎng)

8、的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。輻射耦合的途徑主要有天線、電纜、導(dǎo)線、機(jī)殼的發(fā)射對(duì)組合。通常將輻射耦合劃分為三種：天線與天線的耦合,指的是天線A發(fā)射的電磁波被另一天線B無意接收，從而導(dǎo)致天線A對(duì)天線B產(chǎn)生功能性電磁干擾；場(chǎng)與線的耦合，指的是空間電磁場(chǎng)對(duì)存在于其中的導(dǎo)線實(shí)施感應(yīng)耦合，從而在導(dǎo)線上形成分布電磁騷擾源；與線的感應(yīng)耦合，指的是導(dǎo)線之間以及某些部件之間的高頻感應(yīng)耦合。第三章傳導(dǎo)耦合理論應(yīng)用實(shí)例及分析根據(jù)上文對(duì)傳導(dǎo)耦合傳輸理論的研究，現(xiàn)結(jié)合案例分析傳導(dǎo)電磁干擾及其解決辦法。電力線載波（以下簡(jiǎn)稱PLC）1）案例一：某崗位用了某公司的PLC模塊采集信號(hào)，在同一通訊線上放了5個(gè)模塊，使用過程中模塊通訊會(huì)中

9、斷，重上電后會(huì)正常，但很快通訊又中斷。分析如下：1）從現(xiàn)場(chǎng)看，模塊24VDC供電從電源模塊接出，性能穩(wěn)定，排除電源引起干擾的情況。2）PLC數(shù)采模塊大部分接PtlOO,K型、I型熱電偶信號(hào)，觀察控制柜內(nèi)進(jìn)線排，電纜統(tǒng)一采用了屏蔽雙絞線，且屏蔽端編辮接到接地排上，由現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)統(tǒng)一接地?，F(xiàn)場(chǎng)干擾應(yīng)能屏蔽。為確保起見，將模塊接線端子拔除，觀察模塊通訊狀況未變，排除干擾由信號(hào)端引起的可能。將控制柜內(nèi)線槽蓋板打開，發(fā)現(xiàn)模塊間通訊線采用二根單線，無接地，線槽布線較亂，有可能產(chǎn)生干擾從以上分析后發(fā)現(xiàn)問題可能出在模塊間通訊線上，解決辦法是將通訊線換成屏蔽雙絞線，屏蔽端接地，經(jīng)實(shí)際更換后，通訊正常。案例二：華魯

10、恒升化工股份有限公司一水處理崗位采用西門子公司的S7-300系統(tǒng)的模擬量模塊采集變頻器信號(hào)，正常連接后不能正常顯示。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)信號(hào)端對(duì)地有很高的交流電壓，所以判斷信號(hào)線路受干擾，產(chǎn)生10V以上的雜波而干擾模擬量模塊工作。處理如下：信號(hào)電纜采用質(zhì)量可靠的屏蔽電纜，且在PLC側(cè)單端接地。電流變送器側(cè)增加隔離式安全柵。經(jīng)以上處理后，PLC工作正常，數(shù)值顯示穩(wěn)定可靠。PLC主要通過電源和信號(hào)線引入，通常為傳導(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較嚴(yán)重。1)來自電源的干擾PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，例如：開關(guān)操

11、作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。來自信號(hào)線引入的干擾與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。對(duì)

12、于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動(dòng)和死機(jī)。PLC控制系統(tǒng)因信號(hào)引入干擾造成I/O模件損壞數(shù)相當(dāng)嚴(yán)重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。變頻器變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50HZ的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不

13、規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，其PWM的載波頻率為23kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。解決措施：變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，或安裝諧波濾波器，濾波器的

14、組成必須是LC型，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的。抑制傳導(dǎo)干擾的有效辦法：傳導(dǎo)干擾源的處理如果傳導(dǎo)干擾源是產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)元件，如線圈、變壓器等，在布置時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離接收器加以屏蔽。如果傳導(dǎo)干擾源是頻率相同的電路，如接收機(jī)的高頻放大、輸入及振蕩電路，它們之間的交鏈容易引起自激振蕩，因此布置應(yīng)相隔遠(yuǎn)些。移去對(duì)系統(tǒng)工作無用的、有潛在的干擾設(shè)備的電源。應(yīng)盡可能使設(shè)備工作在設(shè)計(jì)曲線線性最好的部分，以便輸出所含諧波分量最小。如果干擾源的工作波形是脈沖形狀，因?yàn)楫?dāng)脈沖上升沿較慢且持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，產(chǎn)生的電磁干擾最小，隨著脈沖寬度的減小且上升時(shí)間縮短，脈沖中的高頻成分的幅度將增加。所以一個(gè)控制裝置或

15、其他脈沖的上升時(shí)間只需快到能在指定的時(shí)間內(nèi)保證可靠工作即可。不要使振蕩器和開關(guān)器件的工作速度高于性能所需要的速度。電弧放電：當(dāng)兩個(gè)物體之間的電位差大到足以使它們之間的絕緣擊穿時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電弧。因此要盡量避免出現(xiàn)電弧放電。傳輸通道的處理為縮短電磁干擾傳輸通道的長度，要使電路中的導(dǎo)線盡量短。把帶有電磁干擾的導(dǎo)線和元件與連接接收器的布線隔離開來。把帶有電磁干擾的元件的回線與接收器的回線隔離開來。用粗的隔離線和隔離套來減少級(jí)間的電容耦合。各級(jí)電路的連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能縮短，對(duì)高頻電路的布置尤應(yīng)注意這個(gè)問題。對(duì)高頻電路，應(yīng)盡量避免平行排列導(dǎo)線，特別不能像低頻電路那樣將各種導(dǎo)線扎成一束。減小引線電感，以使感應(yīng)電

16、壓減到最小。產(chǎn)生電磁干擾的元件應(yīng)盡量靠近與它們相關(guān)聯(lián)的負(fù)載，以使耦合路徑最短。由同一電源總線饋電的幾個(gè)設(shè)備之間，必須用旁路電容去耦。在干擾極嚴(yán)重的情況下，可以用齊納二極管或分別供電的方法來隔離設(shè)備間的耦合。有時(shí)需要對(duì)潛在的干擾源和敏感器件專門去耦。接收器的處理盡量少用低電平器件，只使用完成任務(wù)所需的靈敏度。移去那些在系統(tǒng)工作時(shí)不需要的接收器的電源。 對(duì)電磁場(chǎng)感應(yīng)敏感的接收器如果可能的話加屏蔽。第四章輻射耦合理論應(yīng)用實(shí)例及分析先根據(jù)前面對(duì)輻射耦合理論的學(xué)習(xí)，再結(jié)合具體案例，研究輻射耦合的應(yīng)用雷電電磁輻射對(duì)微電子設(shè)備的影響雷電流輻射的電磁場(chǎng)，可在任何閉合的導(dǎo)線環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，可在任何開口的金屬回

17、路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。對(duì)于普通工業(yè)設(shè)備來說，這樣的過電壓不足以造成威脅和干擾，但對(duì)于微電子設(shè)備來說，就可能導(dǎo)致破壞其穩(wěn)定工作的傷害或損壞。關(guān)于雷電電磁輻射對(duì)微電子設(shè)備的干擾與破壞，美國科學(xué)家D希爾進(jìn)行過模擬試驗(yàn)。他將被試的計(jì)算機(jī)放置在木箱中，用雷電電磁輻射對(duì)其進(jìn)行干擾。當(dāng)雷電放電的干擾磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.07高斯時(shí)，電子計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作，當(dāng)干擾磁感應(yīng)強(qiáng)度超過2.4高斯時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)生永久性損壞。時(shí)下，0.07高斯和2.4高斯就分別作為微電子設(shè)備在電磁輻射干擾下發(fā)生障礙和故障的閾值。感性負(fù)載的瞬態(tài)噪聲抑制及其觸點(diǎn)的保護(hù)如果電路的負(fù)載是感性的，在切斷回路時(shí)電感兩端產(chǎn)生很高的瞬態(tài)電壓，使開關(guān)的觸點(diǎn)產(chǎn)生飛弧而

18、損壞觸點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖噪聲通過輻射和傳導(dǎo)向外發(fā)射，影響其他電路的正常工作，所以必須在電感負(fù)載兩端或開關(guān)觸電處加裝保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。減少輻射干擾的有效方法：減少輻射干擾源的輻射減少傳導(dǎo)干擾時(shí)提出的處理傳導(dǎo)干擾源的有效方法也同樣適用于輻射干擾源輻射的方法。利用天線電路的電壓駐波比特性減少諧波輻射。在發(fā)射機(jī)輸出端加相應(yīng)的濾波器，濾掉對(duì)接收器構(gòu)成煩擾的頻率。改變天線發(fā)射方向，使其對(duì)接收器不構(gòu)成干擾。改變天線的極化方向，使其和接收天線不同極化，減少對(duì)接收器的干擾。改變輻射的頻率，遠(yuǎn)離接收設(shè)備的頻率，以減小對(duì)接收器的干擾。改變發(fā)射機(jī)的調(diào)制特性、帶寬等，使其減少對(duì)接收器的干擾。減少發(fā)射機(jī)不需要的功率，以減少對(duì)接收器的干擾。改變發(fā)射機(jī)的工作時(shí)間，使其不和接收器在同一時(shí)間工作，以減少對(duì)接收器的干擾。增加輻射干擾源傳輸通道的損耗增加傳輸通道的長度，使其增加損耗。對(duì)直射波可在傳輸通道加阻擋